Коротко: белая эмульсия возникает потому, что в прозрачной смеси образуются миллионы мелких капель, рассевающих видимый свет (эффект Тиндаля / Ми). Причины образования и способы повышения устойчивости — ниже.
Почему появляется белый цвет
- Капли, размер которых соизмерим с длиной волны света ($\lambda \sim 400\text{–}700\mathrm{nm}$), эффективно рассеивают свет (Ми- и Рэлеевское рассеяние). Типичный диапазон, дающий опалесценцию: $r\sim 10^{-7}\text{–}10^{-5}\mathrm{m}$.
Механизмы образования эмульсии
1. Спонтанная (самопроизвольная) эмульгация — при смешении растворителя и плохо растворимого компонента (пример: «оузовский эффект») мельчайшие капли всплывают из пересыщенного состояния.
2. Фазовое разделение: нуклеация и рост или спинодальная декомпозиция при частичной смешиваемости компонентов.
3. Механическое разрушение фаз (сдвиг, встряхивание, сдвиговые поля) — дробление непрерывной фазы на капли.
4. Маренговские потоки/неоднородности межфазной поверхностной энергии — возникновение течений и раздробление интерфейса.
5. Гетерогенная нуклеация на загрязнениях/поверхностях или за счёт солюбилизации в микеллах при наличии амфифилов.
Основные процессы деградации (почему эмульсия нестабильна)
- Коалесценция (слияние капель), флоккуляция (сцепление), седиментация/флотирование (разделение по плотности) и Оствальдовское созревание (рост крупных капель за счёт растворимости мелких).
Как улучшить устойчивость (практически)
1. Стабилизаторы (сурфактанты):
- Ионные дают электростатическую репульсию; неионные — стерическую стабилизацию. Комбинации часто лучше.
- Полимерные/блок-сополимерные ПАВ формируют вязкую, эластичную плёнку на интерфейсе — препятствует коалесценции.
2. Частичное или полное покрытие частицами (Pickering-стабилизация) — твёрдые наночастицы адсорбируются на интерфейсе и дают очень стабильную эмульсию.
3. Уменьшение размера капель — интенсивное смешение, ультразвук, высоко‑давленное гомогенизирование: по закону Стокса скорость оседания растёт как квадрат радиуса, поэтому меньшие капли устойчивее:
$$v=\frac{2({\rho }_d-{\rho }_c)g{r}^2}{9\eta }$$ где ${\rho }_d,{\rho }_c$ — плотности дисперсной и непрерывной фаз, $r$ — радиус, $\eta$ — вязкость непрерывной фазы.
4. Повышение вязкости непрерывной фазы (полимеры, загустители) снижает коалесценцию и седиментацию.
5. Снижение разницы плотностей между фазами — подбор смеси масел или добавление растворителя.
6. Борьба с Оствальдом созреванием: использовать менее растворимое в непрерывной фазе масло, добавлять «ripening inhibitors» (второй, малорастворимый компонент), или смесь масел с разной растворимостью.
7. Контроль pH и ионной силы — для ионных ПАВ и белковых стабилизаторов критичны зарядные условия.
8. Создание вискоупругого межфазного слоя (белки, полимеры) — уменьшает скорость коалесценции.
Краткие рекомендации по эксперименту
- Если нужна мелкодисперсная и стабильная белая эмульсия: подобрать совместимый ПАВ (или частицы), подготовить предварительное грубое смешение, затем высоко‑энергетическую обработку (гомогенизатор/ультразвук), повысить вязкость непрерывной фазы и проверить чувствительность к pH/соли.
- Для диагностики измерить размер частиц (DLS/микроскопия), ζ‑потенциал и кинетику осветления/осаждения.
Если нужно, могу предложить конкретные рецептуры стабилизаторов и режимы обработки для заданных жидкостей (укажите состав).